DE19936036C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen BauteilsInfo
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Abstract
Zur Herstellung von dreidimensionalen metallischen Mikrobauteilen wird in einem mit Elektrolyt gefüllten Behälter beispielsweise eine aus Kupfer bestehende Grundplatte befestigt, auf der das Bauteil aufgebaut wird. In einem vorgegebenen Abstand über der Grundplatte wird eine plattenförmige Elektrode fixiert, deren Fläche mindestens so groß ist wie die Grundfläche des herzustellenden Bauteils. An die Grundplatte und die Elektrode wird eine elektrische Spannung angelegt, so daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bilden. Zwischen der Grundplatte und der Anode wird eine Lochblende auf vorbestimmten Bahnen über das Werkstück geführt, wobei unter dem Loch schichtweise Metallionen aus dem Elektrolyten abgelagert werden, so daß das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird. Die gewünschte Struktur wird mit äußerster Genauigkeit eingehalten, und das Bauteil hat eine extrem hohe Homogenität.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen
metallischen Bauteils sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere zur Herstellung von Mikro-
Bauteilen geeignet, wobei als Beispiele für ihre Einsatzgebiete der Mikro-
Formenbau, Mikro-Manufacturing, Mikro-Prototyping, die Medizintechnik, die
Feinstwerktechnik und der Mikrospritzguß zu nennen sind, ohne daß die Erfindung
hierauf beschränkt ist. Grundsätzlich ist die Erfindung auch zur Herstellung größerer
metallischer Strukturen einsetzbar.
Es besteht aber insbesondere ein großer Bedarf nach einem Verfahren, mit dem
sehr kleine dreidimensionale metallische Bauteile herstellbar sind, da dies in
herkömmlicher Herstellungsweise häufig nicht mit der erforderlichen Genauigkeit
möglich oder aber mit unverhältnismäßig hohen Kosten verbunden ist. So stößt die
Herstellung von Spritzgußwerkzeugen mit Nestern, deren Formabschnitte im
Größenbereich von 10 Mikrometern liegen, in der Praxis auf unüberwindliche
Schwierigkeiten, und die Herstellung winziger Getriebe für Uhren, um ein weiteres
Beispiel zu nennen, ist mit sehr hohen Kosten verbunden.
Die DE 44 42 961 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch
elektrochemisches Abscheiden sowie eine zugehörige Vorrichtung, die eine
Düsenanode mit einem Durchmesser D hat, der erheblich kleiner als die Kathode
und das darauf aufzubauende Bauteil ist. Diese Düsenanode wird durch eine
gesteuerte Verfahreinrichtung dreidimensional über der Kathode bewegt, um auf
diese Weise das Bauteil schichtweise aufzubauen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren anzugeben, mit dem insbesondere kleindimensionierte
metallische Bauteile in nahezu beliebiger dreidimensionaler Form
mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand herstellbar sind. Außer
dem soll eine Vorrichtung angegeben werden, mit der solche
Bauteile hergestellt werden können.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der
Patentansprüche 1 und 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängi
gen Ansprüchen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß in einem Behälter,
in dem sich ein Elektrolyt befindet, ein elektrisch leitfähiges
Werkstück wie beispielsweise eine Kupferplatte und - diesem
gegenüberliegend - in einem vorbestimmten Abstand eine platten
förmige Elektrode fixiert werden, deren Fläche mindestens so
groß ist wie die gegenüberliegende Grundfläche des herzustellen
den metallischen Bauteils, wobei sich die Elektrode ebenso wie
das Werkstück in der Elektrolyt-Flüssigkeit befinden. Als Elek
trolyt können beispielsweise Kupferlösungen, Nickellösungen,
Kadmiumlösungen, Palladiumlösungen verwendet werden, während die
Elektrode vorzugsweise durch eine Graphitplatte gebildet ist,
aber auch aus Wolfram, Platin etc. bestehen kann.
An das Werkstück und an die Elektrode werden eine elektrische
Spannung angelegt und zwar so, daß das Werkstück die Kathode und
die Elektrode die Anode bilden.
Zwischen dem Werkstück und der Anode wird nun eine Blende aus
einem elektrisch nicht leitenden Material wie Keramik mit einem
Loch vorbestimmter Größe so bewegt, daß auf dem Werkstück das
Bauteil schichtweise durch Ablagerung von Metallionen aus dem
Elektrolyten aufgebaut wird. Der Bereich der Auftragung ist da
bei jeweils durch die Position des Lochs und die Geometrie der
Anordnung der Bauteile festgelegt.
Die Lochblende fährt demnach in vorbestimmten Bahnen in X- und
Y-Richtung über das Werkstück, wobei die Blende auch in Z-Rich
tung bewegt werden kann, wenn der Abstand zwischen der Loch
blende und dem allmählich aufgebauten Bauteil zu klein wird.
Dabei versteht es sich, daß zu Beginn des Herstellungvorgangs
die Anode in einem geeigneten Abstand von dem Werkstück angeord
net wird, der unter anderem von der vorgesehenen Bauhöhe des
metallischen Bauteils abhängt. Während des Herstellungsprozesses
bleibt in aller Regel der Abstand zwischen dem Werkstück und der
Anode konstant, d. h. diese beiden Bauteile bleiben in dem Behäl
ter fixiert.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, daß
während der schichtweisen Ablagerung der Metallionen kontinuier
lich die Stromstärke oder die Spannung gemessen wird, wobei
dieser elektrische Meßwert zur Erfassung des jeweils stattfin
denden Materialauftrags herangezogen wird. Da sich während der
Ablagerung der Metallionen der Abstand zwischen dem Werkstück
und der Anodenplatte verringert, führt dies zu einer entspre
chenden Zunahme der Stromstärke bzw. Spannung. Der Meßwert kann
einem Regelkreis zugeführt werden, der die Geschwindigkeit der
Bewegung der Lochblende steuert, wodurch ein exakterer Material
auftrag erzielt werden kann. Nachteilige Einflüsse wie unter
schiedliche Konzentrationen der Ionen im Elektrolyten, Vorhan
densein von Fremdstoffen im Elektrolyt, Temperaturschwankungen
etc., die zu einer ungleichförmigen Ablagerung führen können,
können hiermit ausgeglichen werden.
Die Blende kann so bewegt werden, daß das Loch in der Blende
zeilenförmig die Fläche des Werkstücks abfährt, wobei an den
Bereichen, an denen keine Ablagerung stattfinden soll, der
Stromfluß durch einen durch eine Steuereinrichtung betätigten
Schalter unterbrochen werden kann. Die Lochblende kann aber
auch in anderen vorgegebenen Bahnen, beispielsweise polygonför
mig über die Werkstückfläche geführt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, daß der Elektrolyt auf einer vor
bestimmten erhöhten Temperatur gehalten wird, die bevorzugt etwa
40 bis 50°C beträgt, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt
ist. Die vorbestimmte Prozeßtemperatur wird während des gesamten
Herstellungsvorgangs unverändert aufrecht erhalten. Hierdurch
wird der Ausdehnungskoeffizient der beteiligten Bauteile kon
stant gehalten, so daß ausgeschlossen ist, daß durch Temperatur
änderungen Maßabweichungen entstehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines dreidi
mensionalen metallischen Bauteils enthält in dem Behälter zur
Aufnahme des Elektrolyts eine erste Halteeinrichtung für das
Werkstück bzw. eine Grundplatte oder eine Grundstruktur, auf der
das Bauteil schichtweise aufgebaut werden soll, und eine zweite
Halteeinrichtung für eine dem Werkstück im Abstand gegenüber
liegende plattenförmige Elektrode, deren Fläche mindestens so
groß ist wie die Fläche des herzustellenden Bauteils. Das Werk
stück und die Elektrode sind über Leitungen mit einer Gleich
stromquelle verbindbar. Außerdem enthält die erfindungsgemäße
Vorrichtung eine Halte- und Führungseinrichtung für eine aus
einem elektrisch nicht leitenden Material bestehende Blende mit
einem Loch, die zwischen dem Werkstück und der Anode in X- und
Y-Richtung sowie vorzugsweise auch in Z-Richtung bewegbar ist.
Bevorzugt ist die Vorrichtung außerdem mit einer Heizeinrichtung
versehen, mit der der Elektrolyt auf eine vorbestimmte Tempera
tur erwärmbar ist, deren Einhaltung durch einen Thermostaten
gewährleistet wird. Außerdem ist mit großem Vorteil eine Meßein
richtung vorgesehen, mit der kontinuierlich die Stromstärke oder
Spannung im Bereich unter dem Loch der Lochblende gemessen wird.
Die Meßwerte werden dazu verwendet, den Verlauf des Schicht
aufbaus zu erfassen und über eine Steuereinrichtung bzw. einen
Regelkreis die Geschwindigkeit der Lochblende zu steuern.
Zur Aufrechterhaltung einer konstanten Ionen-Konzentration
enthält die Anlage nach einem weiteren wesentlichen Gesichts
punkt der Erfindung eine Vorrichtung zum Messen des PH-Wertes.
Wenn sich der PH-Wert ändert, wird entsprechend frische Elek
trolyt-Flüssigkeit zugemischt.
Zweckmäßigerweise ist außerdem eine Schwingungsdämpfungsein
richtung vorgesehen, die das Werkstück, die Anode und die Loch
blende erschütterungsfrei hält.
Die Erfindung sieht demnach einen selektiven Materialauftrag
durch einen elektrochemischen Prozeß vor. Sie ermöglicht die
generative Herstellung von metallischen Mikrostrukturen durch
einen präzisen, kontrollierten Materialaufbau in aufeinanderfol
genden Schichten. Die dreidimensionale metallische Form ist mit
einer Genauigkeit herstellbar, die in der Größenordnung von etwa
+/-2 Mikrometern liegt, wobei die Schichtdicke in der gleichen
Größenordnung liegen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Dar
stellung kurz beschrieben. Dabei zeigt die Figur grundlegende
Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer teilweise
geschnittenen Seitenansicht.
Die Figur zeigt rein schematisch eine beispielsweise aus Kupfer
bestehende Platte 1, auf der durch einen galvanischen Schicht
bildungsprozeß ein dreidimensionales Bauteil 2 aufgebaut wird.
Die Kupferplatte 1 ist am Boden eines nicht dargestellten Behäl
ters befestigt und so mit einer nicht dargestellten Gleichstrom
quelle verbunden, daß sie die Kathode der Anordnung bildet.
In einem vorbestimmten Abstand über der Kathode 1 befindet sich
eine plattenförmige Anode 3, die beispielsweise aus Graphit
besteht und eine Fläche hat, die mindestens so groß ist wie die
Grundfläche des aufzubauenden Bauteils 2. Die Anode ist an einer
nicht dargestellten Halteeinrichtung fixiert.
Zwischen der Kathode 1 und der Anode 3 befindet sich eine Blende
4, die mindestens eine so große Fläche hat wie die Kathode 1, so
daß sie diese abschirmt. Die Blende 4 besteht aus einem elek
trisch nicht leitenden Material wie Keramik und hat ein Loch 5
einer vorbestimmten Größe, durch das Strom von der Anode 3 zu
dem Bauteil 2 fließt, wobei metallische Anionen an dem aufzubau
enden Bauteil 2 abgeschieden werden. Die Kathode 1, das auf
zubauende Bauteil 2, die Lochblende 4 sowie die Anode 3 befinden
sich innerhalb eines Elektrolytbades.
Die Lochblende wird von einer nicht dargestellten Führungsein
richtung in X- und Y-Richtung zwischen der Kathode 1 und der
Anode 3 geführt, wobei der Schichtaufbau erfolgt. Die Lochblende
4 kann von ihrer Führungseinrichtung auch in Z-Richtung bewegt
werden.
Das auf diese Weise hergestellte Bauteil besteht aus sehr reinem
Metall und ist so homogen, wie dies mit herkömmlichen Verfahren
zur Herstellung von Mikrostrukturen, beispielsweise dem Laser
sintern, nicht erreichbar ist.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen metalli
schen Bauteils,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem ein
Elektrolyt enthaltenden Behälter ein elektrisch leitfähiges
Werkstück und diesem in einem vorbestimmten Abstand gegenüber
liegend eine plattenförmige Elektrode fixiert werden, deren
Fläche mindestens so groß ist wie diejenige des herzustellenden
Bauteils,
daß an das Werkstück und die Elektrode eine elektrische Spannung angelegt wird, derart, daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bilden,
und daß eine mit einem Loch versehene, ansonsten die Kathode abschirmende Blende aus einem elektrisch nicht leitenden Materi al so zwischen dem Werkstück und der Anode bewegt wird, daß auf dem Werkstück das Bauteil schichtweise durch Ablagerung von Metallionen aus dem Elektrolyten aufgebaut wird.
daß an das Werkstück und die Elektrode eine elektrische Spannung angelegt wird, derart, daß das Werkstück die Kathode und die Elektrode die Anode bilden,
und daß eine mit einem Loch versehene, ansonsten die Kathode abschirmende Blende aus einem elektrisch nicht leitenden Materi al so zwischen dem Werkstück und der Anode bewegt wird, daß auf dem Werkstück das Bauteil schichtweise durch Ablagerung von Metallionen aus dem Elektrolyten aufgebaut wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende in vorbestimmten
Bahnen in X- und Y-Richtung über das Werkstück geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende auch in Z-Richtung
bewegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt auf einer vorbestimm
ten erhöhten Temperatur gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß während des Schichtbauprozesses
kontinuierlich die Stromstärke oder Spannung gemessen wird und
daß die Meßwerte zur Steuerung der Geschwindigkeit der Bewegung
der Lochblende verwendet werden.
6. Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metal
lischen Bauteils,
gekennzeichnet durch einen Behälter zur Aufnahme eines Elek
trolyts,
eine erste Halteeinrichtung für ein Werkstück (1), das mit einer Gleichstromquelle verbindbar ist,
eine zweite Halteeinrichtung für eine mit der Gleichstromquelle verbindbare plattenförmige Anode (3), die dem Werkstück (1) gegenüberliegt und eine Fläche hat, die mindestens so groß wie die Fläche des herzustellenden Bauteils (2) ist, und
eine Führungseinrichtung für eine mit einem Loch versehene, ansonsten die Kathode abschirmende plattenförmige Blende (4) aus einem elektrisch nicht leitendem Material, die die Blende (4) zwischen dem Werkstück (1) und der Anode (3) bewegt.
eine erste Halteeinrichtung für ein Werkstück (1), das mit einer Gleichstromquelle verbindbar ist,
eine zweite Halteeinrichtung für eine mit der Gleichstromquelle verbindbare plattenförmige Anode (3), die dem Werkstück (1) gegenüberliegt und eine Fläche hat, die mindestens so groß wie die Fläche des herzustellenden Bauteils (2) ist, und
eine Führungseinrichtung für eine mit einem Loch versehene, ansonsten die Kathode abschirmende plattenförmige Blende (4) aus einem elektrisch nicht leitendem Material, die die Blende (4) zwischen dem Werkstück (1) und der Anode (3) bewegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (4) aus Keramik be
steht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
ferner gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung, mit der der
Elektrolyt auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
ferner gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung, mit der kon
tinuierlich die Stromstärke oder Spannung meßbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit
von den Meßwerten die Geschwindigkeit der Lochblende (4) steu
ert.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
ferner gekennzeichnet durch eine Schwingungsdämpfungseinrichtung
für das Werkstück (1) und/oder die Anode (3) und/oder die Loch
blende (4).
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19936036A DE19936036C2 (de) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19936036A1 DE19936036A1 (de) | 2001-02-08 |
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ID=7916715
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19936036A Expired - Fee Related DE19936036C2 (de) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen metallischen Bauteils |
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DE (1) | DE19936036C2 (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE10361119A1 (de) * | 2003-12-22 | 2005-07-14 | Solidtool Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines metallischen Körpers |
JP4074592B2 (ja) * | 2004-02-03 | 2008-04-09 | 株式会社山本鍍金試験器 | 電極カートリッジ及びめっき内部応力測定システム |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4442961C2 (de) * | 1994-12-02 | 1998-07-02 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch elektrochemisches Abscheiden |
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1999
- 1999-07-30 DE DE19936036A patent/DE19936036C2/de not_active Expired - Fee Related
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